JP5270230B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。 In recent years, a fuel cell has attracted attention as a power source excellent in operating efficiency and environmental performance. A fuel cell generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas. The electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas is performed in a fuel battery cell that supports a catalyst.
燃料電池セルには、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応に伴う水が生成される。例えば、特許文献1には、燃料電池の反応ガス及び冷却媒体の流れを調整して反応ガス中の相対湿度を制御し、発電性能を向上させる技術が開示されている。また、特許文献2には、複数の燃料電池の一部に異常が発生した場合、当該燃料電池へのガスの供給をバイパスする技術が開示されている。その他、特許文献3〜5には、セル面内のガスの流れを制御する技術が開示されている。
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、電解質膜を介してプロトンが燃料極側から酸素極側へ移動することにより行われる。よって、燃料極側にある水がプロトンの随伴水として酸素極側へ移動したり、燃料電池セルが高出力で低加湿の運転状態になったりすると、燃料極側の水が不足し、ガス流路の下流側等が乾燥しやすくなる。電解質膜が乾燥した部分では乾燥によってプロトンの移動が阻害されるため、発電が停止して電気化学反応に伴う水が生成されなくなる。水が生成されない部分が発生すると、他の部分へ流れる水が無くなるために乾燥部分が徐々に拡大し、やがて発電の完全な停止に至る虞がある。本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、燃料電池セルに生じた発電不良が拡大することによる燃料電池システム全体の発電電力の低下を抑制する技術を提供することを課題とする。 The electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas is performed by protons moving from the fuel electrode side to the oxygen electrode side through the electrolyte membrane. Therefore, if the water on the fuel electrode side moves to the oxygen electrode side as the accompanying water of protons, or if the fuel cell enters an operation state with high output and low humidification, the water on the fuel electrode side becomes insufficient and the gas flow It becomes easy to dry the downstream side of the road. In the portion where the electrolyte membrane is dried, the movement of protons is inhibited by drying, so that the power generation is stopped and water accompanying the electrochemical reaction is not generated. If a portion where water is not generated is generated, the water flowing to the other portion disappears, so that the dried portion gradually expands, and there is a possibility that power generation will eventually be stopped. This invention is made | formed in view of the subject which concerns, and makes it a subject to provide the technique which suppresses the fall of the electric power generation of the whole fuel cell system by the power generation failure which arose in the fuel cell expanded.
本発明は、上記課題を解決するため、電解質膜が乾いた燃料電池積層部への燃料ガス及び酸化ガス供給を止める。 In order to solve the above problems, the present invention stops the supply of fuel gas and oxidizing gas to the fuel cell stack where the electrolyte membrane is dry.
詳細には、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、電解質膜を触媒電極膜で挟持するように接合した膜電極接合体を積層した第一の燃料電池積層部、及び第二の燃料電池積層部と、前記第一の燃料電池積層部及び前記第二の燃料電池積層部に、前記燃料ガスを該第一の燃料電池積層部、該第二の燃料電池積層部の順に流す燃料ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の燃料極側の触媒電極膜を通過する燃料ガス流路と、前記第二の燃料電池積層部及び前記第一の燃料電池積層部に、前記酸化ガスを該第二の燃料電池積層部、該第一の燃料電池積層部の順に流す酸化ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の酸素極側の触媒電極膜を通過する酸化ガス流路と、前記燃料ガスが前記燃料ガス流路を流れ且つ前記酸化ガスが前記酸化ガス流路を流れる状態で、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が乾くと、該燃料
ガス流路を流れる燃料ガス及び該酸化ガス流路を流れる酸化ガスを、該第二の燃料電池積層部をバイパスさせるバイパス手段と、を備える。
Specifically, a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, the first fuel cell stack in which a membrane electrode assembly is bonded so that an electrolyte membrane is sandwiched between catalyst electrode membranes And the second fuel cell stacking section, and the first fuel cell stacking section and the second fuel cell in the first fuel cell stacking section and the second fuel cell stacking section. A fuel gas flow path that flows in the order of the stacking section, the fuel gas flow path passing through the catalyst electrode film on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly of each fuel cell stacking section, the second fuel cell stacking section, and the An oxidizing gas flow path for flowing the oxidizing gas through the first fuel cell stacking section in the order of the second fuel cell stacking section and the first fuel cell stacking section, and a membrane electrode junction of each fuel cell stacking section An oxidizing gas passage passing through the catalyst electrode membrane on the oxygen electrode side of the body, and the fuel gas When the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stack is dry while the oxidizing gas flows through the fuel gas channel and the oxidizing gas flows through the oxidizing gas channel, the fuel gas flowing through the fuel gas channel And bypass means for bypassing the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path to the second fuel cell stack.
電解質膜の水の量は、ガス流路の上流側と下流側とで大きく異なっており、流れ方向に沿って湿分が徐々に低下していく燃料極側では下流側が水の供給を受けにくく、電気化学反応による生成水が発生する酸素極側では上流側が水の供給を受けにくい。よって、カウンター流路方式の場合、燃料極の下流側の電解質膜が特に乾燥しやすく、一旦乾燥部位が生じて生成水の発生しない部位が発生するとプロトン随伴水の移動や電流による発熱が継続するため湿潤状態への回復が見込めず、更に、酸素極の下流側への生成水の供給が止まることによる乾燥部位の拡大が生じやすい。そこで、上記燃料電池システムは、膜電極接合体を積層した積層部が2つあり、燃料ガス流路および酸化ガス流路が各積層部を順に通過する場合であって、うち一の燃料電池積層部が他の燃料電池積層部に対し、燃料ガスの流れの方向との関係において下流側にあり、且つ酸化ガスの流れの方向との関係において上流側にある場合に、当該一の燃料電池積層部を電解質膜の乾きに応じてバイパスする。当該一の燃料電池積層部が、本発明でいう第二の燃料電池積層部であり、外観上、単一の積層体を構成するものであってもよいし二以上の積層体を構成するものであってもよい。すなわち、第二の燃料電池積層部とは、燃料電池積層部が2つある場合に燃料ガスの下流側にあり、且つ酸化ガスの上流側にある積層部をいう。また、上記他の燃料電池積層部が、本発明でいう第一の燃料電池積層部であり、外観上、単一の積層体を構成するものであってもよいし二以上の積層体を構成するものであってもよい。すなわち、第一の燃料電池積層部とは、燃料電池積層部が2つある場合に燃料ガスの上流側にあり、且つ酸化ガスの下流側にある積層部をいう。なお、第一の燃料電池積層部および第二の燃料電池積層部は、これらが結合することで外観上、単一の積層体を構成するものであってもよい。この場合は第一の燃料電池積層部と第二の燃料電池積層部との間を電気的に遮断可能なようにすると共に、ガスの流れも遮断可能なようにする部材を挟む必要がある。 The amount of water in the electrolyte membrane differs greatly between the upstream side and downstream side of the gas flow path, and the downstream side is unlikely to receive water supply on the fuel electrode side where moisture gradually decreases along the flow direction. On the oxygen electrode side where the water produced by the electrochemical reaction is generated, the upstream side is not easily supplied with water. Therefore, in the case of the counter channel system, the electrolyte membrane downstream of the fuel electrode is particularly easy to dry, and once a dry site is generated and a site where generated water is not generated is generated, movement of proton-associated water and heat generation due to current continue. Therefore, recovery to a wet state cannot be expected, and further, the drying site is easily expanded due to the stop of the supply of generated water to the downstream side of the oxygen electrode. Therefore, the fuel cell system is a case where there are two stacked portions in which membrane electrode assemblies are stacked, and the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path pass through each stacked section in order, and one of the fuel cell stacked layers One fuel cell stack when the section is downstream with respect to the direction of fuel gas flow and upstream with respect to the direction of flow of oxidizing gas with respect to the other fuel cell stack The part is bypassed as the electrolyte membrane dries. The one fuel cell stack portion is the second fuel cell stack portion referred to in the present invention, and may form a single stack or two or more stacks in appearance. It may be. That is, the second fuel cell stack is a stack on the downstream side of the fuel gas and the upstream side of the oxidizing gas when there are two fuel cell stacks. In addition, the other fuel cell stack portion is the first fuel cell stack portion referred to in the present invention, and may form a single stack or two or more stacks in appearance. You may do. That is, the first fuel cell stack is a stack on the upstream side of the fuel gas and the downstream side of the oxidizing gas when there are two fuel cell stacks. The first fuel cell stack and the second fuel cell stack may be combined to form a single stack in appearance. In this case, it is necessary to sandwich a member that enables electrical disconnection between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack and also allows the gas flow to be blocked.
上記燃料電池システムは、第二の燃料電池積層部の電解質膜が乾くと、当該積層部における発電を止める。当該積層部の発電の停止は、燃料ガス及び酸化ガスの流れをバイパスさせることで実現する。正常に発電している積層部の乾きの進行を抑えることが可能だからである。燃料ガス及び酸化ガスの流れがバイパスされると、電解質膜内のプロトンの移動に付随してカソード側に移動していた随伴水がアノード側に戻るため、乾燥部位の湿潤状態への回復が見込まれる。従って、電解質膜が乾燥した部分が拡大することによる燃料電池システム全体の発電電力の低下が抑制される。 When the electrolyte membrane of the second fuel cell stack is dry, the fuel cell system stops power generation in the stack. The stop of the power generation in the stacked portion is realized by bypassing the flow of the fuel gas and the oxidizing gas. This is because it is possible to suppress the progress of drying of the laminated portion that is normally generating electricity. When the flow of fuel gas and oxidant gas is bypassed, the accompanying water that has moved to the cathode side accompanying the movement of protons in the electrolyte membrane returns to the anode side, so recovery of the dry part to the wet state is expected. It is. Therefore, a decrease in the generated power of the entire fuel cell system due to the expanded portion where the electrolyte membrane is dried is suppressed.
また、上記燃料電池システムは、前記バイパス手段が前記第二の燃料電池積層部をバイパスさせると、前記第一の燃料電池積層部及び該第二の燃料電池積層部の全膜電極接合体の面積に占める該第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の面積の割合である所定割合の分だけ、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量及び前記酸化ガス流路を流れる前記酸化ガスの流量を減らす流量制御手段を更に備えるものであってもよい。 Further, in the fuel cell system, when the bypass means bypasses the second fuel cell stack, the areas of the first fuel cell stack and the whole membrane electrode assembly of the second fuel cell stack The flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path by a predetermined ratio that is the ratio of the area of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stacking portion occupied in It may further comprise a flow rate control means for reducing the flow rate.
第二の燃料電池積層部のバイパスにより、第一の燃料電池積層部と第二の燃料電池積層部の全体で消費される燃料ガス及び酸化ガスの量が減る。消費される燃料ガス及び酸化ガスの量は、反応ガスが流れる膜電極接合体の反応面の大きさに応じて比例するため、第二の燃料電池積層部のバイパスによって減った分だけ燃料ガス流路及び酸化ガス流路を流れるガスの量を減らせばよい。この減った分を、本発明において所定割合といい、第二の燃料電池積層部のバイパスによって不要となるガスの流量の割合である。バイパス手段によるガス流路の制御に応じてガスの流量も調整することにより、無用な燃料ガス及び酸化ガスの供給を抑制してシステム全体の動作効率を改善すると共に、正常に発電している積層部の乾きの抑制も図ることが可能である。 By bypassing the second fuel cell stack, the amount of fuel gas and oxidizing gas consumed by the entire first fuel cell stack and the second fuel cell stack is reduced. Since the amount of fuel gas and oxidizing gas consumed is proportional to the size of the reaction surface of the membrane electrode assembly through which the reaction gas flows, the fuel gas flow is reduced by the amount reduced by the bypass of the second fuel cell stack. The amount of gas flowing through the channel and the oxidizing gas channel may be reduced. This reduced amount is referred to as a predetermined ratio in the present invention, and is a ratio of the flow rate of gas that becomes unnecessary due to the bypass of the second fuel cell stack. By adjusting the gas flow rate according to the control of the gas flow path by the bypass means, the supply of unnecessary fuel gas and oxidant gas is suppressed to improve the operation efficiency of the entire system, and the power generation is normally performed. It is also possible to suppress the drying of the part.
また、前記バイパス手段は、前記第二の燃料電池積層部をバイパスさせた状態で該第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が湿ると、該第二の燃料電池積層部の燃料ガス流路及び酸化ガス流路に燃料ガス及び酸化ガスを流すようにしてもよい。第二の燃料電池積層部の電解質膜が湿ったら当該積層部への燃料ガス及び酸化ガスの供給を開始することにより、燃料電池システムの発電能力を十分に発揮させることが可能である。なお、電解質膜が湿るとは、乾いていた電解質膜が濡れることで、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けた際に発電可能な状態になることをいう。 Further, when the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stack portion is wet with the bypass means bypassing the second fuel cell stack portion, the second fuel cell stack portion The fuel gas and the oxidizing gas may be allowed to flow through the fuel gas channel and the oxidizing gas channel. When the electrolyte membrane of the second fuel cell stack is wet, the supply of fuel gas and oxidizing gas to the stack is started, so that the power generation capability of the fuel cell system can be fully exhibited. In addition, the electrolyte membrane being wet means that the dried electrolyte membrane is wetted, so that a state in which power generation is possible when the fuel gas and the oxidizing gas are supplied.
また、前記バイパス手段は、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の導電率に基づいて該膜電極接合体の電解質膜の乾きを検知するようにしてもよい。水は電気を通しやすいため、電解質膜の湿り度合いが変わると電解質膜を挟持する膜電極接合体の両極間の導電率が変化する。よって、これを計ることで、電解質膜の乾きを把握することが可能である。 The bypass means may detect dryness of the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly based on the conductivity of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stack. Since water easily conducts electricity, the conductivity between both electrodes of the membrane electrode assembly that sandwiches the electrolyte membrane changes when the wetness of the electrolyte membrane changes. Therefore, by measuring this, it is possible to grasp the dryness of the electrolyte membrane.
燃料電池セルに生じた発電不良の部分が拡大することによる発電電力の低下を抑制する技術を提供することが可能となる。 It is possible to provide a technique for suppressing a decrease in generated power due to expansion of a portion of power generation failure occurring in a fuel cell.
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be exemplarily described. Embodiment shown below is an illustration and this invention is not limited to these.
<実施形態の構成>
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1の構成図である。図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2A(本発明でいう、第二の燃料電池積層部に相当する)、燃料電池スタック2B(本発明でいう、第一の燃料電池積層部に相当する)、燃料電池スタック2A,Bのアノード側に燃料ガスである水素を供給する水素貯蔵タンク3、及び燃料電池スタック2A,Bのカソード側に酸化ガスである酸素を含む空気を供給するコンプレッサ4(本発明でいう、流量制御手段の一部に相当する)を備えている。また、燃料電池システム1は、各機器を制御する電子制御装置5(ECU:Electronic Control Unit)を備えている。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1は、電気モータ(負荷)で走行する燃料電池自動車に搭載され、電気モータ等の電気的な負荷へ電力を供給することを前提としている。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明に係る燃料電池システムは、地上に設置したり、或いは自動車以外の移動媒体等に搭載したりしてもよい。
<Configuration of Embodiment>
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
燃料電池スタック2A,Bは、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)であり、水素と酸素の供給を受けて発電する。燃料電池スタック2A,Bは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応によって発電する膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を多数備えており、これら膜電極接合体を有する燃料電池セルが積層されることにより、所望の電圧を出力するように構成されている。なお、本実施形態において、燃料電池スタック2A,Bは、カソード側(酸素極側)のガスとアノード側(燃料極側)のガスとが互いに反対方向に流れるカウンター流路方式であることを前提としている。
The fuel cell stacks 2 </ b> A and 2 </ b> B are polymer electrolyte fuel cells (PEFC) suitable for a moving medium such as a fuel cell vehicle, and generate power by being supplied with hydrogen and oxygen. The
燃料電池スタック2A,Bは、略同一の性能であり、燃料ガス流路6及び酸化ガス流路7の流路上に直列に並んでいる。すなわち、コンプレッサ4で昇圧された酸化ガス流路7を流れる空気が燃料電池スタック2Aを通過したのちに燃料電池スタック2Bを通過するようになっており、水素貯蔵タンク3から出た燃料ガス流路6を流れる水素が燃料電池スタック2Bを通過したのちに燃料電池スタック2Aを通過するようになっている。
The fuel cell stacks 2 </ b> A and 2 </ b> B have substantially the same performance, and are arranged in series on the fuel gas channel 6 and the oxidizing gas channel 7. That is, the air flowing through the oxidizing gas passage 7 pressurized by the compressor 4 passes through the
燃料電池システム1は、水素貯蔵タンク3から燃料電池スタック2Bのアノード側へ水素を供給する燃料ガス流路6の途中に、水素入口弁8(本発明でいう、流量制御手段の一部に相当する)を備えている。水素入口弁8は、電子制御装置5の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、水素貯蔵タンク3から燃料電池スタック2A,Bへ流れる水素を制御する。
The fuel cell system 1 includes a hydrogen inlet valve 8 (corresponding to a part of the flow control means in the present invention) in the middle of the fuel gas flow path 6 for supplying hydrogen from the
また、燃料電池システム1は、燃料ガス流路6を流れる水素を、燃料電池スタック2Aをバイパスさせるための燃料ガスバイパス流路9を備えている。燃料ガスバイパス流路9は、上流側がバイパス弁10A−Hを介して燃料電池スタック2Bと燃料電池スタック2Aとを繋ぐ燃料ガス流路6に接続されており、下流側がバイパス弁10B−Hを介して燃料電池スタック2Aの下流側の燃料ガス流路6に接続されている。バイパス弁10A−H,10B−Hは、電磁式の三方弁であり、電子制御装置5の指令に応じて燃料ガス流路6を流れる水素を燃料電池スタック2A側に流したり燃料ガスバイパス流路9側に流したりする。
The fuel cell system 1 also includes a fuel gas bypass channel 9 for bypassing the hydrogen flowing through the fuel gas channel 6 to the
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2Bのアノード側から大気へ水素オフガスを放出する燃料ガス流路6の途中に水素出口弁11を備えている。水素出口弁11は、電子制御装置5の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出するオフガスを制御する。
In addition, the fuel cell system 1 includes a
また、燃料電池システム1は、コンプレッサ4から燃料電池スタック2Aへ空気を供給する酸化ガス流路7の途中に、加湿器12を備えている。加湿器12は、電子制御装置5の指令に応じてコンプレッサ4から燃料電池スタック2へ流れる空気の湿度を制御する。
Further, the fuel cell system 1 includes a
また、燃料電池システム1は、酸化ガス流路7を流れる空気を、燃料電池スタック2Aをバイパスさせるための酸化ガスバイパス流路13を備えている。酸化ガスバイパス流路13は、上流側がバイパス弁10B−Oを介して加湿器12と燃料電池スタック2Aとを繋ぐ酸化ガス流路7に接続されており、下流側がバイパス弁10A−Oを介して燃料電池スタック2Aと燃料電池スタック2Bとを繋ぐ酸化ガス流路7に接続されている。バイパス弁10A−O、バイパス弁10B−Oは、電磁式の三方弁であり、電子制御装置5の指令に応じて酸化ガス流路7を流れる空気を燃料電池スタック2A側に流したり酸化ガスバイパス流路13側に流したりする(上述したバイパス流路やバイパス弁で構成されるバイパス経路が、本発明でいうバイパス手段に相当する)。
The fuel cell system 1 also includes an oxidant
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2のカソード側から大気へ空気オフガスを放出する酸化ガス流路7の途中に空気出口弁14を備えている。空気出口弁14は、電子制御装置5の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出する空気オフガスを制御する。
Further, the fuel cell system 1 includes an
電子制御装置5は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及び入出力インターフェース等で構成されており、コンプレッサ4、加湿器12、空気出口弁14、水素入口弁8、水素出口弁11、及びバイパス弁10A−H,10B−H,10A−O,10B−Oを制御する。また、電子制御装置5は、燃料電池スタック2の出力電圧や出力電流を検出する図示しないセンサと電気的に接続されており、燃料電池スタック2A,Bの出力電圧や出力電流を計測する。また、電子制御装置5は、水素入口弁8と燃料電池スタック2Aとの間の通路に設けられた水素流量センサ15で水素の流量を検知する。また、電子制御装置5は、加湿器12と燃料電池スタック2Aとの間の通路に設けられた空気流量センサ16および湿度センサ17で空気の流量および湿度を検知する。
The electronic control unit 5 includes a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), an input / output interface, and the like, and includes a compressor 4, a
燃料電池システム1の電気的な構成について説明する。図2は、燃料電池システム1の電気回路図である。図2に示すように、燃料電池システム1は、電動モータを駆動源とする車両に搭載されることを前提としているため、車両を駆動するモータ18に電力を供給する。車両は、駆動輪がモータ18によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ18は、いわゆる三相交流モータであり、インバータ19から交流電力の供給を受けて動作する。このインバータ19は、燃料電池システム1のメイン電力源である燃料電池スタック2A,Bと二次電池であるバッテリ20とから供給される直流電力を交流電力へ変換し、モータ18へ供給する。燃料電池スタック2A,Bとインバータ19との間には、DC−DCコンバータであるFCコンバータ21A,Bが電気的に接続されている。これにより、燃料電池スタック2A,Bから出力された電力の電圧は、FCコンバータ21A,Bによって任意の電圧に昇降圧され、インバータ19に印加される。FCコンバータ21A,Bは、燃料電池スタック2A,Bの出力が所定のI−V特性に則って動作するように、燃料電池スタック2Aの出力電圧を制御する。よって、燃料電池スタック2A,Bの出力電圧が既定のI−V特性よりも高ければ出力電圧が下がるよう、一次側(燃料電池スタック側)に対する二次側(インバータ側)の昇圧比を小さくする。一方、燃料電池スタック2A,Bの出力電圧が既定のI−V特性よりも低ければ出力電圧が上がるよう、一次側に対する二次側の昇圧比を大きくする。
The electrical configuration of the fuel cell system 1 will be described. FIG. 2 is an electric circuit diagram of the fuel cell system 1. As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 is premised on being mounted on a vehicle that uses an electric motor as a drive source, and therefore supplies power to a
FCコンバータ21A,Bについて詳述する。二つのFCコンバータ21A,Bは、同じ性能のDC−DCコンバータであり、FCコンバータ21Aが燃料電池スタック2Aの電力を昇圧し、FCコンバータ21Bが燃料電池スタック2Bの電力を昇圧するように構成されている。FCコンバータ21A,Bの出力端子は電気的に並列になるように接続されており、それぞれのコンバータで昇圧された電力は合流した後、インバータ19やバッテリ昇圧コンバータ22へ供給される。
The
バッテリ20は、充放電が可能な定電圧の蓄電装置であって、バッテリ20とインバータ19との間にインバータ19に対して上記FCコンバータ21と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ22が電気的に接続されている。これにより、バッテリ20から出力された電力の電圧は、バッテリ昇圧コンバータ22によって任意の電圧に昇圧され、インバータ19に印加される。インバータ19に印加される電圧(すなわち、FCコンバータ21A,Bとインバータ19とを繋ぐ回路の電圧)を、以下、システム電圧という。バッテリ昇圧コンバータ22は、モータ18に入力される電力の電圧を図示しない電圧センサで検出し、モータ18に入力される電力の電圧が、モータ18が必要とする電圧になるように電圧の昇圧比を制御する。バッテリ20が定電圧の電源であるため、バッテリ昇圧コンバータ22の昇圧比を調整することによりシステム電圧を所定の制御目標値にすることが可能である。
The
なお、車両に要求される駆動力の増加等、モータ18の電気的な負荷が増大してシステム電圧を押下げる力が働くと、システム電圧が所定の制御目標値になるように制御しているバッテリ昇圧コンバータ22の働きによってバッテリ20からの供給電力が増大すると共に、燃料電池スタック2A,Bの出力電圧が既定のI−V特性に則るように制御しているFCコンバータ21A,Bの働きによって燃料電池スタック2A,Bからの供給電力が増大する。また、車両に要求される駆動力の減少等、モータ18の電気的な負荷が減少してシステム電圧を押上げる力が働くと、システム電圧が所定の制御目標値になるように制御しているバッテリ昇圧コンバータ22の働きによってバッテリ20からの供給電力が減少すると共に、燃料電池スタック2A,Bの出力電圧が既定のI−V特性に則るように制御しているFCコンバータ21A,Bの働きによって燃料電池スタック2A,Bからの供給電力が減少する。モータ18の消費電力が燃料電池スタック2A,Bからの供給電力を下回る場合は、システム電圧を押上げる力が更に高まるため、バッテリ昇圧コンバータ2
2の働きによって余剰電力がバッテリ20側へ流れ、バッテリ20がチャージされる。電子制御装置5は、このような電圧制御を行っているFCコンバータ21A,Bやバッテリ昇圧コンバータ22を通過するそれぞれの電力量を監視し、燃料電池スタック2A,B、及びバッテリ20の間で電力供給量がアンバランスにならないようにFCコンバータ21A,Bの昇降圧比やバッテリ昇圧コンバータ22の昇圧比を適宜調整する。例えば、燃料電池スタック2A,Bの電気出力に余裕があるにも関わらずバッテリ20が多大な電力を出力している場合は、FCコンバータ21A,Bの、一次側に対する二次側の昇圧比を上げる。これにより、燃料電池スタック2A,Bの出力電力が増え、バッテリ20の出力電力が減る。また、燃料電池スタック2Aの電気出力に余裕があるにも関わらず燃料電池スタック2Bが多大な電力を出力している場合は、FCコンバータ21Aの一次側に対する二次側の昇圧比を上げ、FCコンバータ21Bの一次側に対する二次側の昇圧比を下げる。このように、各FCコンバータ21A,B、バッテリ昇圧コンバータ22の昇圧比、昇降圧比を適宜調整することにより、各電源の負荷の配分が調整される。
In addition, when the electric load of the
The surplus power flows to the
なお、上記FCコンバータ21A,Bやバッテリ昇圧コンバータ22は、コンプレッサや加湿器、弁類と同様、電子制御装置5によって制御される。電子制御装置5は、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルのセンサやモータ18の回転数等に基づいて、燃料電池スタック2A,Bの発電量やバッテリ20からの充放電量を適宜制御する。
The
ここで、燃料電池スタック2A,B内の水の動きについて詳述する。図3は、燃料ガスと酸化ガスとが反応している時の各燃料電池スタックの膜電極接合体の中の水分子の移動状態を示すモデル図である。図3に示すように、湿度が調整された燃料ガス中に含まれる水分子は、電解質膜を移動するプロトンに随伴してカソード極側に移動する。よって、燃料ガスの湿度は、燃料ガスの流れ方向に従って徐々に低下する。このため、燃料電池スタック2Bよりも燃料電池スタック2Aの方が、湿度が低下しやすい。また、水素と酸素の電気化学反応に伴う水が生成されるカソード極側では、酸化ガスの湿度がその流れ方向に従って徐々に高くなる。このため、燃料電池スタック2Aよりも燃料電池スタック2Bの方が、湿度が高くなりやすい。
Here, the movement of water in the
<実施形態の処理フロー>
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転制御について説明する。図4は、燃料電池システム1の制御フロー図である。以下、図4に示す制御フロー図を参照しながら、燃料電池システム1の運転制御について説明する。
<Processing Flow of Embodiment>
Next, operation control of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a control flow diagram of the fuel cell system 1. Hereinafter, the operation control of the fuel cell system 1 will be described with reference to the control flowchart shown in FIG.
(ステップS101:発電開始処理)燃料電池自動車のキースイッチがオンにされると、電子制御装置5は、バイパス弁10A−H,10B−H,10A−O,10B−Oを制御して燃料電池スタック2Aのガス流路を開き、燃料ガスバイパス流路9および酸化ガスバイパス流路13を閉じた状態にする。そして、電子制御装置5は、水素入口弁8および水素出口弁11を開いて燃料電池スタック2A,Bに水素を供給すると共に、空気出口弁14を開いてコンプレッサ4を起動することで燃料電池スタック2A,Bに酸素を含む空気を供給する。電子制御装置5が燃料電池スタック2A,Bへの水素と酸素の供給を開始することで、膜電極接合体で水素と酸素とが電気化学反応し、車両の駆動モータや補機類への電力の供給が開始される。
(Step S101: Power Generation Start Process) When the key switch of the fuel cell vehicle is turned on, the electronic control unit 5 controls the
(ステップS102:パラメータ取得)電子制御装置5は、ステップS101の処理を実行して発電を開始したのち、燃料電池スタック2Aの膜電極接合体の電解質膜の湿潤状態を取得する。電解質膜が乾燥している場合、湿っている場合に比べて膜電極接合体のカソード極とアノード極との間の電気抵抗が高くなる。そこで、電子制御装置5は、図示しない電気抵抗測定器で燃料電池スタック2Aの電気抵抗を測定する。電気抵抗測定器は、高周波の交流計測電流を燃料電池スタック2Aに印加することでその電気抵抗を測定する
。
(Step S102: Parameter Acquisition) The electronic control unit 5 acquires the wet state of the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly of the
(ステップS103:判定処理1)電子制御装置5は、ステップS102の処理を実行して燃料電池スタック2Aの電気抵抗を測定したら、測定結果を基に燃料電池スタック2Aの電解質膜が乾いているか否かを判定する。電解質膜の乾き具合の判定は、燃料電池スタック2Aの電気抵抗が所定の閾値を満たしているか否かで行う。すなわち、電子制御装置5は、ステップS102の処理を実行して取得した燃料電池スタック2Aの電気抵抗が、自身のメモリに予め格納されている既定の閾値よりも低ければ発電の停止まで通常運転を継続する(S105)。他方、既定の閾値以上であれば後述する回復運転(S104)を実行する。
(Step S103: Determination Process 1) When the electronic control unit 5 performs the process of step S102 and measures the electric resistance of the
(ステップS104:回復運転)電子制御装置5は、ステップS103の処理によって回復運転を実行することを決定すると、バイパス弁10A−H,10B−H,10A−O,10B−Oを制御して燃料電池スタック2Aのガスの流路を遮断する。また、電子制御装置5は、水素入口弁8の開度、及びコンプレッサ4の回転数を調整して燃料ガス流路6を流れる水素の流量、及び酸化ガス流路7を流れる空気の流量を約半分(本発明でいう、所定割合に相当する)にする。これは、体格が同じである二つの燃料電池スタック2A,B、換言すると、反応面の総面積が略同一な二つの燃料電池スタック2A,Bへ供給する必要のある反応ガスの量が、バイパス弁の切替による燃料電池スタック2Aの隔離により、半分になるからである。よって、反応ガスの流量の調整は前燃料電池スタック全体に占める、隔離される燃料電池スタックの反応面の大きさに比例して決定されるものであり、例えば、3つのスタックのうち1つを隔離するような場合は流量を3分の2にする。なお、水素および空気の流量の調整は、水素入口弁8の開度及びコンプレッサ4の回転数の調整のみならず、水素出口弁11や空気出口弁14の開度の調整によるものであってもよい。
(Step S104: Recovery Operation) When the electronic control unit 5 determines to execute the recovery operation by the process of step S103, the electronic control unit 5 controls the
図5は、本ステップで電子制御装置5がバイパス弁10A−H,10B−H,10A−O,10B−Oを切り替えて燃料電池スタック2Aのガスの流路を遮断する前の水素の流れを示す状態図であり、図6は同じく空気の流れを示す状態図である。図5に示すように、バイパス弁を切り替える前、水素貯蔵タンク3から供給される水素は、燃料電池スタック2B内の各膜電極接合体のアノード極側を通過した後に、燃料電池スタック2A内の各膜電極接合体のアノード極側を通過する。また、図6に示すように、バイパス弁を切り替える前、コンプレッサ4から供給される空気は、燃料電池スタック2A内の各膜電極接合体のカソード極側を通過した後に、燃料電池スタック2B内の各膜電極接合体のカソード極側を通過する。
FIG. 5 shows the flow of hydrogen before the electronic control unit 5 switches the
図7は、本ステップで電子制御装置5がバイパス弁を切り替えて燃料電池スタック2Aのガスの流路を遮断した後の水素の流れを示す状態図であり、図8は同じく空気の流れを示す状態図である。図7に示すように、バイパス弁を切り替えた後、水素貯蔵タンク3から供給される水素は、燃料電池スタック2B内の各膜電極接合体のアノード極側を通過した後に燃料ガスバイパス流路9を通り、燃料電池スタック2Aをバイパスする。また、図8に示すように、バイパス弁を切り替えた後、コンプレッサ4から供給される空気は、燃料電池スタック2A内の各膜電極接合体のカソード極側を通過した後に酸化ガスバイパス流路13を通り、燃料電池スタック2Bをバイパスする。
FIG. 7 is a state diagram showing the flow of hydrogen after the electronic control unit 5 switches the bypass valve and shuts off the gas flow path of the
図9は、膜電極接合体のアノード側を流れる水素、及びカソード側を流れる空気の流れの状態について、バイパス弁の切替前後を比較した図である。バイパス弁の切替によって燃料電池スタック2Aの膜電極接合体のアノード側の表面を流れていた水素の流れが無くなると共に、カソード側の表面を流れていた空気の流れが無くなる。これによって、次のような現象が生ずる。図10は、バイパス弁を切り替えて燃料電池スタック2Aを隔離し
た後の各燃料電池スタックの膜電極接合体の中の水分子の移動状態を示すモデル図である。電解質膜内を移動するプロトンに随伴してカソード極側に移動し集まっていた水分子は、燃料電池スタック2Aの発電の停止によるプロトンの移動の停止に伴い、乾燥しているアノード側に移動し始める。これにより、水分子がカソード側に偏在することにより乾燥していた燃料電池スタック2Aの電解質膜のアノード側が湿り、発電可能な程度に湿潤状態になる。
FIG. 9 is a diagram comparing the state before and after switching of the bypass valve with respect to the state of the flow of hydrogen flowing on the anode side of the membrane electrode assembly and the flow of air flowing on the cathode side. By switching the bypass valve, the flow of hydrogen flowing on the surface on the anode side of the membrane electrode assembly of the
なお、電子制御装置5は、バイパス弁の制御による燃料電池スタック2Aの隔離と同時に、FCコンバータ21A,Bを次のように制御する。すなわち、電子制御装置5は、バイパス弁の制御による燃料電池スタック2Aの隔離と同時にFCコンバータ21Aを停止し、燃料電池スタック2Aと負荷(モータ18等)との電気的な接続を遮断する。燃料電池スタック2Aの電解質膜内のプロトンの移動を速やかに停止させ、カソード側に偏在する水分子をアノード側に速やかに移動させるためである。また、電子制御装置5は、FCコンバータ21Aの停止によってバッテリ20の負荷が過多にならないようにするため、バイパス弁の切替と同時にFCコンバータ21Bの昇降圧比を変更し、燃料電池スタック2Bとバッテリ20との負荷の配分を調整する。例えば、燃料電池スタック2Aと燃料電池スタック2Bとバッテリ20との負荷配分が4対4対3であったような場合に燃料電池スタック2Aを停止すると、負荷配分が0対5.7対4.3になってしまうため、FCコンバータ21Bの一次側に対する二次側の昇圧比を上げて、バッテリ20に対する燃料電池スタック2Bの負荷の割合を高める。
The electronic control unit 5 controls the
電子制御装置5は、バイパス弁を切り替えたら再びステップS102以降の処理を実行する。燃料電池スタック2Aの電解質膜が、発電を再開することが可能な程度にまで湿潤状態になると、燃料電池スタック2Aの電気抵抗が所定の閾値以上になるため、ステップS103の判定処理においてステップS105の処理の実行が選択される。
The electronic control unit 5 executes the processing after step S102 again after switching the bypass valve. When the electrolyte membrane of the
(ステップS105:判定処理2)電子制御装置5は、発電を継続するか否かを判定する。すなわち、電子制御装置5は、燃料電池自動車のキースイッチがオンのままであれば、上述したステップS102以降の処理を再び実行する。他方、電子制御装置5は、燃料電池自動車のキースイッチがオフになれば、次のステップS106の処理を実行することにより燃料電池システム1の発電を停止する。 (Step S105: Determination Process 2) The electronic control unit 5 determines whether or not to continue power generation. That is, if the key switch of the fuel cell vehicle remains on, the electronic control unit 5 executes the above-described processing after step S102 again. On the other hand, when the key switch of the fuel cell vehicle is turned off, the electronic control unit 5 stops the power generation of the fuel cell system 1 by executing the process of the next step S106.
(ステップS106:発電停止処理)上述したステップS105の処理によって燃料電池システム1の発電の停止が決定されると、電子制御装置5は、FCコンバータ21A,Bを停止して燃料電池スタック2A,Bに接続される電気的負荷を切り離す。そして、電子制御装置5は、水素入口弁8および水素出口弁11を閉じて燃料電池スタック2への水素の供給を停止すると共に、コンプレッサ4を停止して空気出口弁14を閉じることで燃料電池スタック2への酸素の供給を停止する。これにより、電気化学反応が止まり、燃料電池システム1の停止処理が完了する。
(Step S106: Power Generation Stop Processing) When the stop of power generation in the fuel cell system 1 is determined by the processing in step S105 described above, the electronic control unit 5 stops the
<実施形態の効果>
以上、上記実施形態に係る燃料電池システムによれば、一部の燃料電池スタックの電解質膜が乾燥して発電不良が生じた場合に、当該燃料電池スタックへのガスの供給が遮断されることで水の持ち去りが抑制されるため、他の燃料電池スタックの電解質膜の乾燥が抑制される。また、発電不良が生じた燃料電池スタックをガスが通過しなくなるため、他の燃料電池スタックの温度が適正に保たれて良好な発電状態を維持することが可能である。このように、発電不良が生じた燃料電池スタックのガスの流れが遮断されることにより、他の燃料電池スタックの発電状態が正常に保たれ、燃料電池システム全体の発電電力の低下が抑制される。
<Effect of embodiment>
As described above, according to the fuel cell system according to the above embodiment, when the electrolyte membrane of some fuel cell stacks is dried and power generation failure occurs, the supply of gas to the fuel cell stack is interrupted. Since removal of water is suppressed, drying of the electrolyte membrane of another fuel cell stack is suppressed. In addition, since the gas does not pass through the fuel cell stack where the power generation failure has occurred, the temperature of the other fuel cell stack can be maintained appropriately and a good power generation state can be maintained. In this way, the flow of gas in the fuel cell stack in which power generation failure has occurred is cut off, so that the power generation state of other fuel cell stacks is kept normal, and a decrease in the generated power of the entire fuel cell system is suppressed. .
<変形例>
なお、上記実施形態に係る燃料電池システムは、以下のように変形してもよい。図11は、第一変形例に係る燃料電池システムの要部拡大図である。上記実施形態に係る燃料電池システムは、図11に示すように、バイパス経路を持たない燃料電池スタックが複数存在していてもよい。この場合、バイパス経路を持たないこれら複数の燃料電池スタック全てが、本発明でいう、第一の燃料電池積層部に相当することになる。
<Modification>
The fuel cell system according to the above embodiment may be modified as follows. FIG. 11 is an enlarged view of a main part of the fuel cell system according to the first modification. As shown in FIG. 11, the fuel cell system according to the above embodiment may include a plurality of fuel cell stacks having no bypass path. In this case, all of the plurality of fuel cell stacks that do not have a bypass path correspond to the first fuel cell stacking portion referred to in the present invention.
また、図12は、第二変形例に係る燃料電池システムの要部拡大図である。上記実施形態に係る燃料電池システムは、図12に示すように、バイパス経路を持つ燃料電池スタックが複数存在していてもよい。この場合、バイパス経路を持つこれら複数の燃料電池スタック全てが、本発明でいう、第二の燃料電池積層部に相当することになる。 FIG. 12 is an enlarged view of a main part of the fuel cell system according to the second modification. As shown in FIG. 12, the fuel cell system according to the above embodiment may include a plurality of fuel cell stacks having bypass paths. In this case, all of the plurality of fuel cell stacks having the bypass path correspond to the second fuel cell stacking portion referred to in the present invention.
また、図13は、第三変形例に係る燃料電池システムの要部拡大図である。上記実施形態に係る燃料電池システムは、図13に示すように、互いに独立したバイパス経路を持つ燃料電池スタックが複数存在していてもよい。そして、互いに独立したバイパス経路を持つ複数の燃料電池スタックのうち何れかの燃料電池スタックの電解質膜が乾いたら、当該燃料電池スタックをバイパスするようにしてもよい。この場合、互いに独立したバイパス経路を持つこれら複数の燃料電池スタックそれぞれが、本発明でいう、第二の燃料電池積層部に相当することになる。 FIG. 13 is an enlarged view of a main part of the fuel cell system according to the third modification. As shown in FIG. 13, the fuel cell system according to the embodiment may include a plurality of fuel cell stacks having mutually independent bypass paths. Then, when the electrolyte membrane of any one of the plurality of fuel cell stacks having bypass paths independent from each other is dried, the fuel cell stack may be bypassed. In this case, each of the plurality of fuel cell stacks having bypass paths independent from each other corresponds to the second fuel cell stack portion in the present invention.
1・・・燃料電池システム
2A,B・・・燃料電池スタック
3・・・水素貯蔵タンク
4・・・コンプレッサ
5・・・電子制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
電解質膜を触媒電極膜で挟持するように接合した膜電極接合体を積層した第一の燃料電池積層部、及び第二の燃料電池積層部と、
前記第一の燃料電池積層部及び前記第二の燃料電池積層部に、前記燃料ガスを該第一の燃料電池積層部、該第二の燃料電池積層部の順に流す燃料ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の燃料極側の触媒電極膜を通過する燃料ガス流路と、
前記第二の燃料電池積層部及び前記第一の燃料電池積層部に、前記酸化ガスを該第二の燃料電池積層部、該第一の燃料電池積層部の順に流す酸化ガス流路であって、各燃料電池積層部の膜電極接合体の酸素極側の触媒電極膜を通過する酸化ガス流路と、
前記燃料ガスが前記燃料ガス流路を流れ且つ前記酸化ガスが前記酸化ガス流路を流れる状態で、前記第二の燃料電池積層部の膜電極接合体の電解質膜が乾いていると判定されると、該燃料ガス流路を流れる燃料ガス及び該酸化ガス流路を流れる酸化ガスを、該第二の燃料電池積層部をバイパスさせることにより、該電解質膜内のプロトンの移動に付随してカソード側に移動していた随伴水をアノード側に戻して乾燥部位を湿潤状態へ回復させるバイパス手段と、を備える、
燃料電池システム。 A fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas,
A first fuel cell stacking unit and a second fuel cell stacking unit in which membrane electrode assemblies that are joined so as to sandwich an electrolyte membrane between catalyst electrode membranes are stacked;
A fuel gas flow path for flowing the fuel gas through the first fuel cell stack and the second fuel cell stack in the order of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack; A fuel gas flow path that passes through the catalyst electrode membrane on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly of each fuel cell stack,
An oxidizing gas flow path for flowing the oxidizing gas through the second fuel cell stack and the first fuel cell stack in the order of the second fuel cell stack and the first fuel cell stack. An oxidizing gas flow path that passes through the catalyst electrode membrane on the oxygen electrode side of the membrane electrode assembly of each fuel cell stack,
It is determined that the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stack is dry with the fuel gas flowing through the fuel gas channel and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas channel. When the oxidizing gas flowing through the fuel gas passage fuel gas and oxidizing gas flow path through the by Rukoto bypass the said second fuel cell stack unit, in association with the movement of protons in the electrolyte membrane Bypass means for returning the accompanying water that has moved to the cathode side to the anode side and recovering the dried portion to a wet state ,
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 When the bypass means bypasses the second fuel cell stack, the second fuel cell occupies the area of the entire membrane electrode assembly of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack Flow rate control means for reducing the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas flow channel and the flow rate of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow channel by a predetermined ratio that is a ratio of the area of the membrane electrode assembly of the stacked portion. In addition,
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 When the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stack is wet with the bypass means bypassing the second fuel cell stack, the fuel in the second fuel cell stack is Flowing fuel gas and oxidizing gas through the gas channel and oxidizing gas channel,
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The bypass means detects dryness of the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly based on the conductivity of the membrane electrode assembly of the second fuel cell stack.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
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